Generador solar de bajo costo y baja complejidad para soportar procesos productivos en comunidades de paz en Colombia.

A pesar del conflicto armado colombiano, existe una amplia gama de iniciativas civiles locales, regionales y nacionales en torno a la promoción de la paz, estos proyectos continúan construyendo una historia fundamentada en la vida digna, en el respeto y en la inclusión de la diferencia [2]. Las políticas en este sector se orientan a convertir a los desmovilizados en miembros productivos de la sociedad a través de diferentes herramientas como su integración a procesos productivos, y así garantizar su reintegración efectiva a sus núcleos sociales y familiares [3]. En Colombia uno de estos ejemplos de éxito es COOMPAZCOL (COOPERATIVA MULTIACTIVA PARA LA PAZ DE COLOMBIA), la cual es una cooperativa de excombatientes ubicada en Pondores, departamento de la Guajira, que usan un modelo autosustentable de producción agropecuaria y manufactura de economía solidaria para garantizar la reincorporación integral exitosa de sus miembros [4]. En general, las comunidades de paz han ocupado territorios en los que la calidad energética de la red de distribución es baja, o en los que se carece de acceso a dicha red, por lo que una solución típica que ha sido adoptada en dichas comunidades para alcanzar la autonomía energética de sus procesos productivos es el uso de generador eléctricos de diésel o gasolina, los cuales, ante fallos en la red de distribución o la carencia de la misma, permiten generar la energía eléctrica para el soporte energético de la comunidad. Sin embargo, aunque esta aproximación es confiable y económica genera impactos ecológicos significativos tanto en el lugar del cual provienen los recursos fósiles (asociados a su proceso de extracción), como en el lugar de operación del generador (emisiones contaminantes producto de la combustión del diésel o la gasolina) [5]. El impacto ambiental generado por este tipo de emprendimientos ha sido poco explorado o cuantificado, tal vez porque, muchas de estas iniciativas afrontas riesgos más significativos en su proceso de formación y consolidación, como la garantía de territorios para su operación, riesgos asociados a una apuesta uni-productiva, desafíos sociales de exclusión en las comunidades donde operan, entre otros [4,6]. Sin embargo, Como lo dice Francisco en su encíclica, “el marco político e institucional no existe sólo para evitar malas prácticas, sino también para alentar las mejores prácticas, para estimular la creatividad que busca nuevos caminos, para facilitar las iniciativas personales y colectivas” [1]. Más aun, nos habla de cómo nuestros gobernantes están lentamente abriendo los ojos a esta realidad, “hay una creciente jurisprudencia orientada a disminuir los efectos contaminantes de los emprendimientos empresariales” [1]. Actualmente como lo dice el papa Francisco, “… los jóvenes nos reclaman un cambio. Ellos se preguntan cómo es posible que se pretenda construir un futuro mejor sin pensar en la crisis del ambiente y en el sufrimiento de los excluidos” [1], más aún nuestra propia conciencia nos reclama volvernos partícipes en un cambio, sumar esfuerzos y actuar ágilmente ante los graves problemas ecológicos y de exclusión, en nuestro país y en el mundo. Hemos recibido el llamado de Francisco a la acción y deseamos aportar en la construcción de un mejor país, usando la tecnología bien orientada, es decir, aquella que: “puede producir cosas realmente valiosas para mejorar la calidad de vida del ser humano” [1]. Desde nuestro saber técnico consideramos que una opción importante en el camino a una sociedad productiva auto sostenible, es garantizar en las comunidades la autonomía energética local, lo cual garantiza la calidad energética usando energías limpias, para así realizar algunos de sus procesos productivos, sin tener que: 1) Depender de La continuidad y regularidad de la red de distribución de energía (si existe la posibilidad de acceso a este servicio público), que para grandes territorios como el departamento de la Guajira es un gran reto para el gobierno local [7], 2) Generar un impacto ambiental significativo en sus territorios. En general, cualquier sistema eléctrico que soporte un proceso productivo puede ser dotado con autonomía energética utilizando un sistema diseñado para recolectar energía presente en su ambiente [8]. Las fuentes de energía presentes en el ambiente pueden ser naturales o artificiales. Por ejemplo, la energía solar obtenida a partir del aprovechamiento de la radiación electromagnética procedente del sol y la energía eólica que es obtenida del aprovechamiento de la fuerza del viento son energías naturales. En contraste, la energía electromagnética presente en las señales de radio (por ejemplo, TV, Wi-Fi y teléfono celular) es un ejemplo de energía artificial. Los sistemas que recolectan la energía del ambiente son comúnmente llamados cosechadores de energía (EH por sus siglas en ingles). Estos sistemas son explícitamente diseñados para alimentar energéticamente a cargas que varían su consumo con el tiempo con fuentes de energía que también varían con el tiempo, más aún las potencias instantáneas de generación y consumo pueden diferir con el tiempo [9]. La principal figura de mérito de este tipo de sistemas es su eficiencia, la cual está determinada según [9] como la relación entre la energía entregada a la carga y la energía disponible en las fuentes en el intervalo de operación del sistema. Por lo tanto, un sistema de EH eficiente es aquel que extrae toda la energía disponible de las fuentes y la entrega a su carga sin pérdidas en el procesamiento. Para que los dispositivos alimentados por EHs garanticen confiabilidad energética a su carga, el sistema debe operar en su operación neutral de energía (ENO por sus siglas en inglés) [10], también conocido como balance de carga en sistemas de mayor potencia. El concepto de ENO es el nombre dado al estado de operación del sistema cuando la energía consumida por la carga es siempre menor que la energía colectada por el cosechador. Más aún, si el sistema opera en este estado y no existen fallas en su hardware, el EH garantiza total autonomía energética del sistema. El punto óptimo de operación de un sistema alimentado con EH se conoce como el máximo ENO y es el estado en que toda la energía colectada por el cosechador se convierte en desempeño del dispositivo. En particular, en el departamento de la Guajira se cuenta con un gran potencial en energía solar comparado con regiones ubicadas en otras latitudes del planeta [11,12]. Por lo tanto, en este territorio es posible utilizar EH solares, conocidos comúnmente como generadores solares, para otorgar autonomía energética a los procesos productivos. Este tipo de generadores eléctricos comparados con los convencionales, son ecológicamente amigables, son más silenciosos en su operación, no tienen partes móviles resultando una taza de mantenimiento baja, y no usan diésel o gasolina evitando tener que gastar dinero en combustible durante los 25-30 años de vida útil de las placas solares [13]. Sin embargo, el costo de un generador solar es mayor que el de uno convencional [13], lo cual supone típicamente un problema en la adopción de esta tecnología. Adicionalmente y por su propia naturaleza como sistema de EH, los generadores solares deben operar en su ENO, lo que implica un adecuado dimensionamiento de la carga en el momento de la selección del generador solar. Si este proceso es realizado siguiendo los criterios de selección usados al comprar un generador convencional, el sistema por lo general falla, generando la falsa experiencia de que esta tecnología no es confiable [5]. Una evidencia de este último problema se encuentra en [12], donde se concluye que el bajo nivel de desarrollo tecnológico en la Guajira hace que muchos proyectos que se ejecutan o se proponen no sean sostenibles y permitan explotar todo el potencial de los recursos energéticos disponibles. Los cosechadores solares (EH solar) o generadores solares transforman la energía electromagnética de la luz presente en el ambiente en energía eléctrica. El panel genera directamente una señal DC de salida, las curvas características de estos generadores se ejemplifican en la siguiente Figura 1. Como se observa el generador no es lineal y requiere un voltaje especifico en sus terminales de salida para garantizar la máxima generación de energía y varía dependiendo de la condición atmosférica del ambiente, este voltaje típicamente es impuesto por sistemas de seguimiento del punto máximo de potencia (MPPT por sus siglas en inglés), la implementación convencional de este tipo de sistemas de EH se presenta en la Figura 2. Figura SEQ Figura \* ARABIC 1. Curvas características celda solar y turbina eólica. Tomado de [14] Figura SEQ Figura \* ARABIC 2. Diagrama general EH solar/eólico hibrido con carga. Tomado de [15] Los generadores solares (Figura 2) utilizan un conversor DC/DC con MPPT para garantizar la extracción de la máxima potencia disponible de los mismos, esta potencia fluye hacia las cargas a través de un bus DC. Si la carga requiere toda la potencia generada no existe un exceso de energía que necesite ser almacenado por el banco de baterías (i.e., ENO máximo). Si, por el contrario, la carga consume menos energía que la cosechada, el exceso de la misma es almacenada en las baterías para su posterior consumo. El uso de baterías en este sistema es lo que permite mantener el riel DC dentro de sus límites de operación y consecuentemente garantiza el abastecimiento de energía a la carga del sistema (i.e., operación en el ENO). El sistema de conversores que permiten este intercambio de energía es conocido como unidad de procesamiento de potencia. Este proyecto de investigación pretende desarrollar generadores solares amigables con el medio ambiente, de bajo costo y complejidad adaptados a los procesos productivos de COOMPAZCOL, como prueba piloto para extender el uso de estas tecnologías en las comunidades de paz. En este contexto, la investigación pretende responder la siguiente pregunta ¿Cómo diseñar un generador solar con alta eficiencia con bajo costo y baja complejidad?. El prototipo que se desea desarrollar, se basaría en una configuración de conversor SIMO (i.e. Un sistema de varias salidas y una entrada, por sus siglas en ingles) DC/DC para MPPT novedoso, que consiste en un conversor conmutado SISO (i.e. Un sistema de una salida y una entrada, por sus siglas en ingles) Boost y un inversor de voltaje conmutado capacitivo, el cual se optimiza para reducir perdidas y complejidad disminuyendo el número de elementos conmutados necesarios en una implementación. Este conversor fue propuesto por el Ing. Gabriel Perilla, y se encuentra en proceso de publicación. Adicionalmente, este conversor se caracteriza por ser de baja complejidad, más aun permite generar dos voltaje DC (riel positivo y negativo) balanceados sin necesidad de un control dedicado, y permite implementar una novedosa estrategia de casi-MPPT de baja complejidad que rastrea el punto de máxima potencia sin algoritmos complejos de control como el de perturbar y observar [14], esta estrategia esta compensada en temperatura lo que permite un bajo impacto en el total de la energía cosechada. Finalmente, usando este conversor novedoso en el generador solar, el diseño del inversor se simplifica disminuyendo costos y complejidad del sistema. En general, para disminuir al máximo los costos y disminuir la complejidad en la consecución de repuestos para el equipo, todos los conversores serán diseñados con componentes comercializados comúnmente en Colombia, en particular el conversor MIMO DC/DC (i.e., el carga la baterías) será optimizado para permitir el respaldo energético con baterías de carro convencionales en lugar de baterías de sistemas solares convencionales que son más costosas y no son comercializadas comúnmente en las regiones de nuestro país. [1] Francisco, Papa, Bergoglio, Jorge Mario, Carta Encíclica Laudato Si’ sobre el cuidado de la casa común. Ciudad del Vaticano: Tipografía Vaticana, 2015. [2] Fundación Parez “4 acciones de paz desde las comunidades” [Online]. Available: https://pares.com.co/2018/05/21/4-acciones-de-paz-desde-las-comunidades/ [Accessed: Febrero 15, 2020]. [3] Arias, G., Ljunggren, B., Palou, J. C., Avendaño, J., Luna, C. M., Correa. “Consolidación de Paz en Colombia. Una experiencia integrada en DDR y Desarrollo. Fundación Ideas para la Paz”, 2018. [4][Online]. Available: https://www.facebook.com/CoompazColombia/ [Accessed: Febrero 18, 2020]. [5] Oparaku, O. U. "Rural area power supply in Nigeria: a cost comparison of the photovoltaic, diesel/gasoline generator and grid utility options." Renewable energy, 2003. p.p. 2089-2098. [6] Briceño L., Torres M., Córdoba A., Le Blanc J., Maldonado D., “Construcción de desarrollo y paz : aprendizajes y recomendaciones desde los territorios”, 2016. URL:http://biblioteca.clacso.edu.ar/Colombia/cinep/20161102012014/20160707_Contruccion.pdf [7] Ministerio De Minas Y Energía. “Decreto número 88 de 26 may 2017”, 2017. pp. 3–4. [8] A. Fajardo, "Contributions on the energy flow modeling in a self-sustainable wireless energy transfer system based on efficient inductive links", Ph.D. dissertation, Univ. Federal de Santa Catarina, Florianopolis, 2018. [9] A. FAJARDO, F. SOUSA Rangel de, “Modeling and design of high-efficiency power amplifier fed by limited power sources”, In: 29th Symp. Integr. Circuits Syst. Des. (SBCCI), 2016, pp. 1-6. [10] A, KANSAL, et al., “Power management in energy harvesting sensor networks”, ACM Transactions on Embedded Computing Systems (TECS), vol. 6, no. 4, pp. 32, 2007. [11] Unidad de Planeación Minero Energética y Banco Interamericano de Desarrollo. “Integración de las energías renovables no convencionales en Colombia”, 2015. pp. 37–42. URL: http://www.upme.gov.co/Estudios/2015/Integracion_Energias_Renovables/INTEGRACION_ENERGIAS_RENOVANLES_WEB.pdf [12] Rincones, J. A. R. “Implementación de la unidad de investigación en Energías Renovables para la Productividad Y Equidad Social del Departamento de la Guajira”. pp. 4–5. URL: https://drive.google.com/file/d/1dRJuQxtb11CO8RfZhRrHzt3P3E-tUL06/view [13] Alonso J., “Generadores Solares: Ventajas e Inconvenientes”. ][Online]. Available: https://www.cambioenergetico.com/blog/generadores-solares/ [14] Piegari L. , Rizzo R. "Adaptive perturb and observe algorithm for photovoltaic maximum power point tracking." IET Renewable Power Generation, 2010. pp. 317-328.